大轴重铁路货车组焊式箱型中梁的焊接工艺

聂友明，王丽，陈增有，徐强

(中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 冷工艺部，黑龙江 齐齐哈尔 161002 )

大轴重铁路货车组焊式箱型中梁的焊接工艺

聂友明，王丽，陈增有，徐强

(中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 冷工艺部，黑龙江 齐齐哈尔 161002 )

考虑到组焊式箱型结构中梁制造过程中面临的工艺难点，通过制定合理的焊接顺序，制作各类预生产工作试样，并对制造过程中经常遇到的焊接问题进行分析和总结，制定详细的焊接工艺等工作，有效的保证了中梁焊接质量的稳定、可靠.

箱型中梁；裂纹；熔透；变形

0 引言

为适应国际市场尤其是澳洲市场对铁路货车产品升级换代的需要，我公司研制的40t轴重铁路货车日益得到国外铁路运输公司的青睐[1].作为铁路货车车体脊梁的中梁，传统的乙字型拼接结构中梁已无法满足大轴重铁路货车的使用要求，组焊式箱型中梁以其结构的整体性应运而生，并得到了很好的推广和应用.当然，这种箱型结构中梁对焊接工艺及组装水平提出了更高的要求.为保证该类型中梁的焊接质量，对焊接工艺难点进行了细致的分析并制定措施，并引入预生产工作试样进行焊缝质量检验，有力的保证了该类型中梁批量生产的稳定.

1 组焊式箱型中梁结构简介

组焊式箱型结构中梁主要由中梁上盖板、中梁下盖板、中梁腹板、隔板、心盘座和冲击座等部件组焊而成，其整体的承载能力及抗变形能力得到很大的提升.中梁上盖板、中梁下盖板及中梁腹板一般选用Q450NQR1高强度耐候钢[2- 3]，采用拼焊的方式完成.为满足重载、大编组等国外铁路货车运用的需要，心盘座和冲击座等部件一般选用C级铸钢制造.根据产品实际运用情况的需要，一般设计制造时需对重要部位的熔透深度有特殊要求，例如牵引部位的焊缝一般需要开坡口进行焊接，具体结构可参见图1所示[4].

图1 组焊式箱型中梁示意图

2 焊接工艺难点分析及控制措施

通过对该类型中梁的结构进行细致的分析，并结合生产现场经验及常见问题，发现该类型中梁的焊接工艺难点主要有以下四个方面：焊接变形的控制、板材的拼接焊缝质量保证、部分特殊焊缝熔透要求的实现及铸件与板材的焊接缺陷控制等[5].

2.1 焊接变形的控制

该类结构中梁的腹板与上、下盖板焊缝为长直焊缝，焊后会产生较大的角变形，另外，如焊接顺序不合理将极易导致中梁的扭曲及旁弯等一系列焊接变形问题，这将直接影响到后续底架等部件之间的组装质量，从而影响整车的制造质量.因此，控制焊接变形是该类型中梁生产所面临的一大难题.

为尽量减少该类型中梁的焊接角变形，一般选择在中梁盖板上预置反变形的方式抵消焊接角变形.反变形量的大小与盖板的厚度及焊脚的大小有关，板厚较薄或焊脚较大时需适当增加反变形量.另外，在中梁组对过程中需在工装压紧状态下进行定位焊，当中梁内部隔板间距较大时，为保证中梁两腹板内间距，可使用工艺撑管等进行定位，从而增加刚度，进而减少焊接变形[6].

由于该类型中梁为细长结构，焊后极易产生扭曲变形，为了降低扭曲变形，尽量减少机械矫正量，需制定合理的焊接顺序.一般中梁上、下盖板与腹板的长直焊缝可从中间向两边同时同方向进行焊接，如图2所示，如果中梁较长，亦可采用分段退焊的方法进行焊接.

图2 焊接顺序参考图

2.2 板材的拼接焊缝质量

考虑到料源尺寸及材料利用率等方面因素影响，中梁上、下盖板及腹板一般采用拼接完成，为保证拼接焊缝的焊接质量，通常需进行100%超声波探伤及磁粉探伤进行检测，因此拼接焊缝的焊接质量直接决定了探伤的合格率及中梁的使用寿命.

为保证焊缝探伤一次通过率，拼接焊缝焊接前需加装引弧板，引弧板的材质和坡口形式与母材一致，大小以保证焊缝起收弧点在有效焊缝区域外为宜，拼接焊缝一般采用双面焊进行焊接，组对时需确保坡口间隙适中，打底焊接时宜采用小电流进行焊接，填充及盖面焊缝采用多层多道进行焊接，背面封底焊接前需进行彻底的清根处理，从而保证焊缝熔合良好.具体的焊接参数见表1.

表1 焊接参数推荐表

2.3 部分特殊焊缝的熔透要求

为增加该类型中梁的承载能力，一般对关键部位的焊缝熔深有特殊要求，这给焊接工艺提出了很大挑战.另外，受到焊缝空间位置及探伤方法的局限，一些关键焊缝内部质量无法通过无损检测手段进行检测，为确保该类特殊焊缝的熔透深度满足设计要求，引入了预生产工作试件机制.通过对其进行宏观断面分析，可以直观的反映工艺参数的合理性及焊工技能水平的高低.

关键部位的熔透要求一般分为部分熔透和全熔透两类.部分熔透焊缝焊接时需注意控制焊枪角度，确保焊丝对准焊缝根部，同时，打底焊时尽量不摆动，以确保根部熔合良好.全熔透焊缝的焊接工艺手段主要有：单面焊双面成型、单面焊(焊缝背面加装衬垫)及双面焊等.单面焊双面成型对板材下料的精度和焊工的技能水平要求极高，批量生产不易满足，因此，一般采用单面焊(焊缝背面加装衬垫)及双面焊的焊接方法来实现焊缝的全熔透焊接[7].

单面焊(焊缝背面有衬垫)焊接时，需注意坡口钝边不宜过大，并控制组对间隙在合适的范围内，同时应确保衬垫尽可能与母材密贴，从而保证根部熔合良好.双面焊背面封底焊接前，需进行彻底的清根处理，以保证焊缝熔合良好.对于较厚板材宜采用多层多道的方法进行焊接，并控制每层焊缝厚度不宜过大，以免出现未熔合或密集气孔等缺陷的产生，图3为部分焊缝宏观断面照片.

(a)单面焊

(b)双面焊

2.4 铸件与板材的焊接缺陷控制

C级钢铸件与板材焊接时一般采用混合气体保护焊进行焊接，因C级钢铸件较厚，散热较快，焊接过程极易出现冷裂纹等缺陷.焊接缺陷主要集中在定位焊缝、长直焊缝裂纹及拐角处熔合不良等方面[8].

2.4.1 铸件与中梁板材定位焊缝及长直焊缝纹

该类裂纹为冷裂纹的一种，在对接和角接焊缝中均易出现，多位于焊缝中心部位，一般在焊后不久便出现并扩展，贯穿至两端，如图4所示.

(a)定位焊

(b)长直焊

为避免出现此类冷裂纹，工艺上需采取预热、大热输入及缓冷等措施加以控制.出现该类裂纹的主要原因是焊前未进行预热或预热不到位、预热后未及时进行焊接，导致焊缝冷却速度过快，焊缝在较大应力的作用下沿焊缝中心开裂.另外，正式焊接时需对焊缝层间温度加以控制，避免焊缝冷却速度过快导致层间出现裂纹及裂纹的扩展，层间焊缝可用风铲等工具进行锤击以降低焊缝内应力.

当发现定位焊点开裂后，需将定位焊点全部清除，以防止在后续焊接过程中定位焊裂纹扩展至正式焊缝中，造成运用安全隐患.当发现正式焊缝中出现裂纹后，应将裂纹区域全部清除，并预置出焊缝坡口，以便进行后续补焊工作.在焊缝裂纹清理过程中，如发现裂纹沿打磨方向延伸，可在离焊缝裂纹一定距离(15～20 mm左右)采用砂轮或风铣子等风动工具截断焊缝，以起到止裂的作用[9].

2.4.2 铸件与中梁拐角处易出现未熔合或毛细裂纹

该类焊接缺陷较为常见，如图5所示.主要原因在于：受拐角处位置局限、焊工操作习惯及焊接顺序等因素影响，导致焊缝起收弧点位于拐角处，使拐角处出现焊接缺陷的几率增大.又因拐角处存在较大应力，加之接头处理质量不高等因素影响，极易导致焊缝接头处出现熔合不良或毛细裂纹等缺陷.

图5 焊缝拐角裂纹

为避免出现此类焊接缺陷，对于能实现连续焊接的拐角焊缝应连续焊接[10]，如图6(a)所示.因空间位置等其他因素影响，无法实现连续焊接的拐角，应对接头起、收弧焊接细节进行控制，以降低焊接缺陷的产生.可采用以下工艺措施进行控制：首先，对待焊处两端接头处进行打磨处理，制备出缓坡.其次，起弧焊接时，在距离始焊端10～15 mm处引燃电弧，并迅速回拉至接头边缘压低电弧做一圆弧动作，进入正常焊接.最后，收弧焊接时，在电弧运至距待焊接头末端20 mm左右位置时，逐渐加大焊接的角度，在到达端部边缘时稍作停顿后回焊10 mm左右，待熄弧后停留片刻再移开焊枪.具体操作示如图6(b)所示.

(a)拐角连续焊接

(b)拐角接头焊接

3 结论

(1)通过对焊缝焊接顺序进行合理安排，将会有效控制中梁焊接变形；

(2)通过采用合理的焊接参数，控制好组对间隙，并清根彻底，将会有效控制板材拼接焊缝的探伤合格率；

(3)通过选用合理的焊接工艺，可以实现关键焊缝的熔透，增加梁的承载能力；

(4)通过严格执行焊前预热温度要求，并注意焊缝拐角处细节处理，将会有效控制铸件与板材焊缝冷裂纹的出现.

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Welding Process of Heavy Axle Load Freight Group Welded Box Beams

NIE Youming，WANG Li，CHEN Zengyou，XU Qiang

(CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.,Ltd,Qiqihar 161002,China)

Aiming at the technological difficulties in beam manufacturing process,the production of various types of production samples and the welding problem often encountered in the manufacturing process are analyzed and summarized through the development of reasonable welding sequence,detailed welding process to guarantee stable and reliable welding quality.

box beam;crack;penetration;deformation

1673- 9590(2015)01- 0076- 04

2014- 04- 20

聂友明(1984-),男，工程师,学士,主要从事铁路货车用钢焊接工艺研究

E-mail:nieyouming1984@126.com.

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